WO2005077812A1 - Systeme de connexion d'extremites de conduites de fluide - Google Patents

Systeme de connexion d'extremites de conduites de fluide Download PDF

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Laurent Allidieres
Eric Faure
Alain Ravex
Florent Janin
Gérard Marot
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L'Air Liquide Société Anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to connection systems for fluid line ends, in particular cryogenic, in particular for liquid fuels, typically liquid hydrogen or liquefied natural gas, for motor vehicles.
  • Fluid line end connection systems, in particular cryogenic fluid for motor vehicles have hitherto been of complex and delicate configurations for ensuring the required tightness, in particular using coupled rotary ball valves.
  • the object of the present invention is to provide a connection system, particularly suitable for filling tanks with liquid hydrogen or liquefied natural gas, of simple and efficient structure, effectively ensuring cold and hot seals by implementing a single axial translation operation facilitating manual implementation and / or easy automation.
  • the system for connecting the ends of fluid lines comprises a female part intended to receive a portion of male part, the male parts and female each comprising a valve for closing the fluid line, normally closed and movable in the open position in the connected configuration of the system, the male and female parts each further comprising an isolation valve normally closed and movable in the open position during the introduction of the male part into the female part.
  • the female part comprises a tubular guide with which the male part cooperates in sealed sliding, typically via a sliding joint at the end of the male part;
  • the male part comprises a central mandrel comprising the valve for closing the fluid supply pipe and sliding to penetrate the tubular guide of the female part;
  • the male part comprises, behind the sliding joint at least, a first pivoting flap, forming an isolation valve, cooperating with the end of the tubular guide during the introduction of the male part into the female part;
  • the tubular guide of the female part comprises a second pivoting flap, forming an isolation valve, cooperating with the end of the central mandrel of the male part when the latter is introduced into the female part;
  • the male part is advantageously configured in the form of a gun which can be actuated manually and the female part is advantageously fitted in the body of a motor vehicle of which at least part of the mechanical and / or electrical power is supplied by liquid hydrogen or liquefied natural gas.
  • FIGS. 1 is a schematic perspective view of 'a connection system according to the invention before interconnection of the male and female parts
  • - Figure 2 is a view similar to Figure 1, but in longitudinal section
  • - Figure 3 is a view similar to Figure 2 showing the male and female parts at the start of interpenetration
  • - Figure 4 is a view similar to Figures 2 and 3 showing the connection system of the invention in connected configuration.
  • FIGS. 1 is a schematic perspective view of 'a connection system according to the invention before interconnection of the male and female parts
  • - Figure 2 is a view similar to Figure 1, but in longitudinal section
  • - Figure 3 is a view similar to Figure 2 showing the male and female parts at the start of interpenetration
  • - Figure 4 is a view similar to Figures 2 and 3 showing the connection system of the invention in connected configuration.
  • the main elements of the connection system according to the invention are recognized, namely a male part M configured in the shape of a gun with a manual actuating stock 50 and a trigger 51 for actuating a valve. filling, and a female part F, advantageously housed in an element 52 of a vehicle body and comprising a cylindrical cover 1 defining an interior volume 2 intended to receive the male part M.
  • the female part comprises, mounted in cantilever on a bottom plate 3 closing the cover 2 towards the rear, a tubular guide 4 comprising an annular end piece 5 and housing a coaxial tubular element 6 internally defining a fluid conduit 7 connected, via an outlet pipe 8, to a tank of liquid vehicle fuel (not represented).
  • the duct 7 is normally closed at its front end by a valve 9 urged axially by a spring against a seat formed by an annular part 60 at the front end of the tubular element 6.
  • the male part M comprises a external tubular part 10 extended by a tubular end portion 11 and enclosing a tubular mandrel 12 defining a downstream portion 13 of a filling circuit connecting, via an upstream pipe 14, to a circuit for supplying pressurized liquid fuel (not shown) of the filling station which includes the gun 50, M.
  • the duct portion 13 is normally closed downstream by a valve 15 axially elastically pressed against a seat formed by an annular piece 16 at the end of the mandrel 12.
  • the annular end piece 5 of the tubular element 4 of the female part F comprises at least one, typically two pivoting valves in the form of a half-disc 17, opening inwards, behind an axial annular sliding surface 18 intended to receive the mandrel 12 of the male part M.
  • the annular end part 11 of the latter also comprises at least one flap 19, pivoting inwards, advantageously two flaps or half-discs, in front of a sliding O-ring 20 of metal or PTFE type elastomer intended to cooperate in axial sliding with the periphery of the tubular guide 4 of the female part F.
  • One of the isolation valves 9,15 in this case the valve of the male part 4 of the part m âle M in the embodiment shown, comprises a rod 21 extending forwardly beyond the annular end piece 16.
  • the arrangement according to the invention allows easy and safe handling, easily robotized, the hot and cold seals being made in a single translational operation.
  • the cold parts remain isolated from ambient humidity thanks to the flaps 17 and 19, thus avoiding the formation of frost on the cold parts, and can be purged by a neutral gas, typically helium, admitted via a circuit 70 ( Figure 2), with compression / expansion cycles carried out before the cryogenic fluid passes, for example also under control of the trigger 51.
  • the system according to the invention prevents any leakage of cryogenic liquid to the outside, enables fast cold thanks to the little massive constituent elements, limiting the thermal loss on line, authorizes the immediate disconnection, even when the parts are cold and allows an immediate reuse also, if necessary, after disconnection.
  • the female part F which is the on-board part, has the simplest possible configuration, and therefore inexpensive.
  • the hot seal 20 is located on the male part M, on the filling station side therefore, which allows safer maintenance of this part.
  • the various structural elements of the male and female parts, as well as the flaps 17 and 19, are advantageously made of stainless steel.
  • the end of the tubular guide 4 of the female part F is advantageously closed, in non-connection condition, by a clip-on or screw-on plug 30, made of plastic material, to prevent the penetration of dust. in the sliding surface 18 of the female part F.

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Abstract

La partie femelle (F) recevant la partie mâle (M) comporte intérieurement un guide tubulaire (4) avec lequel coopère en coulissement étanche (joint 20) la partie mâle, les parties mâle et femelle comportant chacune, à leur entrée, un volet pivotant (19 ; 17) d'isolation, ouvrable en séquence lors de la pénétration de la partie mâle dans la partie femelle avant ouverture des clapets (15 ; 9) des portions de circuit de fluide (13,7). Application notamment au remplissage en fluide cryogénique, notamment en hydrogène liquide, de réservoirs de véhicules automobile.

Description

Système de connexion d'extrémités de conduites de fluide La présente invention concerne les systèmes de connexion d'extrémités de conduites de fluide, en particulier cryogéniques, notamment de combustibles liquides, typiquement d'hydrogène liquide ou de gaz naturel liquéfié, pour véhicules automobiles. Les systèmes de connexion d'extrémités de conduites de fluide, notamment de fluide cryogénique pour véhicule automobile, sont jusqu'à présent de configurations complexe et délicate pour assurer les étanchéités requises, mettant notamment en œuvre des vannes à boisseaux rotatifs couplés. La présente invention a pour objet de proposer un système de connexion, convenant en particulier pour le remplissage de réservoirs d'hydrogène liquide ou de gaz naturel liquéfié, de structure simple et efficace, assurant efficacement les étanchéités froides et chaudes en mettant en œuvre une seule opération de translation axiale facilitant la mise en œuvre manuelle et/ou une automatisation aisée. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le système de connexion d'extrémités de conduites de fluide, en particulier de combustible liquide pour véhicule automobile, comprend une partie femelle destinée à recevoir une portion de partie mâle, les parties mâle et femelle comprenant chacune un clapet de fermeture de conduite de fluide, normalement fermé et déplaçable en position d'ouverture en configuration connectée du système, les parties mâle et femelle comportant en outre chacune un clapet d'isolation normalement fermé et déplaçable en position d'ouverture lors de l'introduction de la partie mâle dans la partie femelle. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la partie femelle comporte un guide tubulaire avec lequel coopère en coulissement étanche la partie mâle, typiquement via un joint coulissant à l'extrémité de la partie mâle ; - la partie mâle comporte un mandrin central comportant le clapet de fermeture de la conduite d'alimentation de fluide et pénétrant à coulissement dans le guide tubulaire de la partie femelle ; - la partie mâle comporte, en arrière du joint coulissant au moins, un premier volet pivotant, formant clapet d'isolation, coopérant avec l'extrémité du guide tubulaire lors de l'introduction de la partie mâle dans la partie femelle ; - le guide tubulaire de la partie femelle comporte un deuxième volet pivotant, formant clapet d'isolation, coopérant avec l'extrémité du mandrin central de la partie mâle lors de l'introduction de cette dernière dans la partie femelle ; - la partie mâle est avantageusement configurée en forme de pistolet actionnable manuellement et la partie femelle est avantageusement aménagée dans la carrosserie d'un véhicule automobile dont au moins une partie de la puissance mécanique et/ou électrique est fournie par de l'hydrogène liquide ou du gaz naturel liquéfié. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un système de connexion selon l'invention avant interconnexion des parties mâle et femelle ; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 , mais en coupe longitudinale ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 montrant les parties mâle et femelle en début d'interpénétration ; et - la figure 4 est une vue analogue aux figures 2 et 3 montrant le système de connexion de l'invention en configuration connectée. Sur les figures 1 et 2, on reconnaît les éléments principaux du système de connexion selon l'invention, à savoir une partie mâle M configurée en forme de pistolet avec une crosse d'actionnement manuelle 50 et une gâchette 51 d'actionnement de valve de remplissage, et une partie femelle F, logée avantageusement dans un élément 52 d'une carrosserie de véhicule et comprenant un capotage cylindrique 1 délimitant un volume intérieur 2 destiné à recevoir la partie mâle M. Comme on le voit mieux sur la figure 2, la partie femelle comprend, monté en porte-à-faux sur une platine de fond 3 fermant le capotage 2 vers l'arrière, un guide tubulaire 4 comportant une pièce d'extrémité annulaire 5 et abritant un élément tubulaire coaxial 6 définissant intérieurement un conduit de fluide 7 relié, via une tubulure de sortie 8, à un réservoir de combustible liquide de véhicule (non représenté). Le conduit 7 est normalement fermé à son extrémité avant par un clapet 9 sollicité axialement par un ressort contre un siège formé par une pièce annulaire 60 à l'extrémité avant de l'élément tubulaire 6. Pour sa part, la partie mâle M comprend une pièce tubulaire externe 10 prolongée par une partie tubulaire d'extrémité 11 et renfermant un mandrin tubulaire 12 définissant une portion aval 13 d'un circuit de remplissage se raccordant, via une canalisation amont 14, à un circuit de fourniture de combustible liquide sous pression (non représenté) de la station de remplissage dont fait partie le pistolet 50,M. La portion de conduit 13 est normalement fermée en aval par un clapet 15 plaqué axialement élastiquement contre un siège formé par une pièce annulaire 16 à l'extrémité du mandrin 12. Selon un aspect de l'invention, la pièce annulaire d'extrémité 5 de l'élément tubulaire 4 de la partie femelle F comporte au moins un, typiquement deux clapets pivotants en forme de demi-disque 17, ouvrant vers l'intérieur, en arrière d'une surface annulaire axiale de coulissement 18 destinée à recevoir le mandrin 12 de la partie mâle M. La partie d'extrémité annulaire 11 de cette dernière comporte également au moins un volet 19, pivotant vers l'intérieur, avantageusement deux volets ou demi-disques, en avant d'un joint torique coulissant 20 en métal ou élastomère de type PTFE destiné à coopérer en coulissement axial avec la périphérie du guide tubulaire 4 de la partie femelle F. L'un des clapets d'isolation 9,15, en l'occurrence le clapet de la partie mâle 4 de la partie mâle M dans le mode de réalisation représenté, comporte une tige 21 s'étendant vers l'avant au-delà de la pièce d'extrémité annulaire 16. La procédure de connexion du système selon l'invention va maintenant être décrite en relation avec les figures 3 et 4. Comme on le voit sur la figure 3, l'extrémité annulaire 11 de la partie mâle
M est tout d'abord introduite dans la partie femelle F en prenant appui coulissant sur le guide tubulaire 4 avec lequel le joint annulaire coulissant 20 forme immédiatement étanchéité « chaude », c'est-à-dire isolant les volumes intérieurs de la partie M et du guide tubulaire de l'atmosphère environnante. Dans la configuration initiale de la figure 3, les volets 17 et 19 demeurent fermés. En faisant pénétrer plus avant la partie mâle M dans la partie femelle F, la pièce d'extrémité annulaire 5 vient porter axialement contre le volet 19 de la partie mâle couvrant celui-ci et permettant la pénétration dans le guide tubulaire 4 du mandrin 12, lequel vient à son tour porter contre le volet 17 de la partie femelle F pour l'ouvrir. La pénétration linéaire continue de la partie mâle M dans la partie femelle F, avec le joint 20 coulissant sur la périphérie du guide tubulaire 4 et le mandrin 12 coulissant dans la portée 18, amène les faces axiales d'extrémités des pièces d'extrémité 16 et 60 en contact l'une avec l'autre, limitant ainsi la pénétration de la partie mâle M dans la partie femelle F mais avec l'extrémité libre de la tige 21 venant porter contre le clapet 9 et provoquer l'ouverture du clapet de remplissage 15, l'admission du combustible liquide sous pression par actionnement de la gâchette 51 dans la portion de conduite 10 jusqu'à la face avant du clapet intérieur 9 provoquant ensuite l'ouverture de ce dernier permettant le passage du combustible liquide de la conduite de remplissage 13 dans la conduite 8 jusqu'au réservoir récepteur du véhicule. On voit donc qu'avec le système selon l'invention, par un mouvement de translation unique, l'étanchéité « chaude » est assurée dès le début de connexion par le joint torique 20, ensuite les clapets d'isolation 19 et 17, protégeant normalement, en position de repos, les volumes intérieurs de la partie mâle M et de la partie femelle F, respectivement, sont ouverts, mettant ainsi en communication les zones « froides » intérieures des parties mâle et femelle avant que les clapets 15 et 9 ne viennent autoriser la circulation du fluide cryogénique sous pression, les séquences d'ouverture des volets et clapets étant assurés automatiquement par la simple pénétration progressive de la partie mâle dans la partie femelle. La procédure de déconnexion s'effectue exactement à l'inverse de celle décrite ci-dessus pour la procédure de connexion. L'agencement selon l'invention permet une manipulation aisée et sûre, aisément robotisable, les étanchéités chaudes puis froides se faisant en une seule opération de translation. Les parties froides demeurent isolées de l'humidité ambiante grâce aux volets 17 et 19, en évitant ainsi la formation de givre sur les parties froides, et peuvent être purgées par un gaz neutre, typiquement de l'hélium, admis via un circuit 70 (Figure 2), avec des cycles de compression/détente effectués avant le passage du fluide cryogénique, par exemple sous contrôle également de la gâchette 51. Le système selon l'invention évite toute fuite de liquide cryogénique vers l'extérieur, permet une mise en froid rapide grâce à des éléments constitutifs peu massifs, limitant la perte thermique en ligne, autorise la déconnexion immédiate, même lorsque les pièces sont froides et permet une réutilisation également immédiate, si nécessaire, après déconnexion. La partie femelle F, qui est la partie embarquée, a une configuration la plus simple possible, et donc peu onéreuse. En particulier, le joint chaud 20 est situé sur la pièce mâle M, côté station de remplissage donc, ce qui permet une maintenance plus sûre de cette pièce. Les différents éléments structurels des parties mâle et femelle, ainsi que les volets 17 et 19, sont avantageusement réalisés en acier inoxydable. Comme représenté sur les figures 1 et 2, l'extrémité du guide tubulaire 4 de la partie femelle F est avantageusement fermée, en condition de non- connexion, par un bouchon 30 clipsable ou vissable, en matériau plastique, pour éviter la pénétration de poussières dans la portée de coulissement 18 de la partie femelle F. Quoique l'invention ait été décrite avec un mode de réalisation particulier, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de connexion d'extrémités de conduites de fluide, comprenant une partie femelle (F) destinée à recevoir une portion d'une partie mâle (M), les parties mâle et femelle comprenant chacune un clapet (15 ; 9) de fermeture de conduites de fluide, normalement fermé et déplacé en position d'ouverture en configuration connectée du système, les parties mâle et femelle comportant en outre chacune un clapet (19 ; 17) d'isolation normalement fermé et déplacé en position d'ouverture lors de l'introduction de la partie mâle dans la partie femelle.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie femelle (F) comporte un guide tubulaire (4) avec lequel coopère en coulissement étanche la partie mâle (M).
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité
(11 ) de la partie mâle (M) comporte un joint coulissant (20) coopérant avec le guide tubulaire (4) de la partie femelle (F).
4. Système selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la partie mâle (M) comporte un mandrin central (12) comportant le clapet (15) de fermeture de la conduite d'alimentation de fluide (13) et pénétrant à coulissement dans le guide tubulaire (4) de la partie femelle (F).
5. Système selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la partie mâle (M) comporte, en arrière du joint coulissant (20), au moins un premier volet pivotant (19) susceptible de coopérer avec l'extrémité (5) du guide tubulaire (4) de la partie femelle (F) lors de l'introduction de la partie mâle dans la partie femelle.
6. Système selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le guide tubulaire (4) de la partie femelle (F) comporte un deuxième volet pivotant (17) susceptible de coopérer avec l'extrémité du mandrin central (12) de la partie mâle (M) lors de l'introduction de cette dernière dans la partie femelle (F).
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le guide tubulaire (4) de la partie femelle (F) comporte, en avant du deuxième volet (17), une partie annulaire (5) coopérant à coulissement avec la périphérie du mandrin central (12) de la partie mâle (M).
8. Système selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la partie femelle (F) comprend, dans le fond du guide tubulaire (4), un élément tubulaire central (6) comportant le clapet (9) de fermeture de la conduite (7) de réception du fluide et formant butée axiale pour la partie mâle.
9. Système selon la revendication 8 dans son rattachement à l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'un des clapets de fermeture (15 ; 9) est solidaire d'une tige (21) coopérant en butée axiale avec l'autre clapet de fermeture en configuration de connexion du système.
10. Système selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que l'extrémité du guide tubulaire (4) de la partie femelle (F) est obturable, au repos, par un bouchon amovible (30).
11. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie mâle (M) est configurée en forme de pistolet actionnable manuellement (50).
12. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie femelle (F) est aménagée dans la carrosserie (52) d'un véhicule automobile.
13. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide est l'hydrogène liquide ou le gaz naturel liquéfié.
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